La fisica delle particelle è una branca della fisica che studia la natura delle particelle che costituiscono la materia e la radiazione. Sebbene le particelle non siano visibili a occhio nudo, i loro effetti sull’universo sono davvero colossali. Questo campo indaga i più piccoli costituenti della materia e il modo in cui interagiscono tra loro. Comprendere queste particelle e le loro interazioni ci aiuta a comprendere l'universo su larga scala.
Il Modello Standard della fisica delle particelle è una teoria che descrive tre delle quattro forze fondamentali conosciute nell'universo (le interazioni elettromagnetica, debole e forte, ma non la gravità) e classifica tutte le particelle elementari conosciute. Divide le particelle in due gruppi principali: fermioni e bosoni.
I fermioni sono gli elementi costitutivi della materia. Hanno spin semiintero e obbediscono al principio di esclusione di Pauli, il che significa che due fermioni non possono occupare contemporaneamente lo stesso stato quantistico. I fermioni vengono ulteriormente classificati in leptoni e quark.
I bosoni sono particelle che trasportano forze e hanno spin intero. Non obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Nel Modello Standard esistono quattro tipi di bosoni:
Nell'universo esistono quattro interazioni fondamentali che governano il comportamento di tutta la materia e l'energia. Il Modello Standard spiega con successo tre di questi:
La gravità, la quarta forza, non è ancora descritta dal Modello Standard. È spiegato dalla teoria della Relatività Generale e si ritiene che sia mediato da una particella teorica nota come gravitone.
Per studiare la fisica delle particelle, gli scienziati utilizzano grandi macchine chiamate acceleratori di particelle per accelerare e far collidere le particelle ad alte energie. Queste collisioni producono nuove particelle e consentono ai ricercatori di studiare le proprietà di queste particelle.
Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN vicino a Ginevra, in Svizzera, è l'acceleratore di particelle più grande e potente del mondo. È stato determinante nella scoperta del bosone di Higgs.
La teoria quantistica dei campi è il quadro teorico della fisica delle particelle. Combina la meccanica quantistica e la relatività speciale. La QFT descrive le particelle come stati eccitati dei loro campi sottostanti. Ad esempio, i fotoni sono eccitazioni del campo elettromagnetico e gli elettroni sono eccitazioni del campo elettronico.
Per ogni particella esiste un'antiparticella con carica elettrica opposta. Quando una particella incontra la sua antiparticella, queste si annichilano a vicenda, producendo raggi gamma. L'antimateria viene utilizzata nell'imaging medico ed è oggetto di ricerca per comprendere lo squilibrio tra materia e antimateria nell'universo.
I neutrini sono particelle estremamente leggere e neutre che interagiscono molto debolmente con il resto della materia. Miliardi di neutrini ci attraversano ogni secondo, per lo più inosservati. I neutrini provengono dal Sole e da altre fonti astronomiche. Sono importanti per comprendere i processi stellari e la struttura dell'universo.
La fisica delle particelle è un campo affascinante e complesso che esplora i componenti fondamentali e le forze dell'universo. Attraverso esperimenti che utilizzano acceleratori di particelle come l'LHC e strutture teoriche come il Modello standard e la Teoria quantistica dei campi, gli scienziati continuano a scoprire i misteri dell'universo, una particella alla volta.
